KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ÉS REMEDIÁCIÓ

Dr. Molnár Mónika és Dr. Feigl Viktória

BEVEZETŐ - 2017

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

Page 2

TEMATIKA

Bevezető

– Mikroorganizmusok szerepe, jelentősége

– tematika, követelmények, MOKKA és KÖRINFO adatbázis)

Ökoszisztéma, táplálkozási láncok

Biogeokémiai ciklusok (C-körforgalom)

– C, N, P, S-körforgalom

– Mikroorganizmusok szerepe a biogeokémiai ciklusokban

Mikroorganizmusok a környezetben

Mikroorganizmusok jellemzői

Talaj

Szennyezett környezet (talaj)

Kockázatcsökkentés

Remediáció, bioremediáció, innovációk, esettanulmányok…

Page 3

ÖKOSZISZTÉMA - táplálkozási láncok

lebontók

autotrófok növényevők húsevők I húsevők II

napfény

tápanyagfelvétellégzési veszteség

anyagcsere soránhulladékanyagok

Page 4

SZÉNKÖRFORGALOM A FÖLDI ÖKOSZISZTÉMÁBAN

ATMOSZFÉRA725

SZÁRAZFÖLDholt szag, humusz: 2 000

szén, kőolaj, földgáz: 5-10 000

karbonát: 20 000 000

TENGERoldott szag: 1 000

0,5

üledék

C tartalom ill. tartalék * 109 t C áram nyilakon: * 109 t/év

Növény: 550 CO2

38 000

105

120

fitoplankton

5

6060

5

102

MM

M

Page 5

HOLT SZERVES ANYAGOK SORSA A TALAJBAN

Holt szerves

anyag C/N=30

Huminanyagok

C/N=10-15

Szalma CO2 + H2O CO2 + H2O felszín

Szénhidrát,

pektin, cellulóz,

protein

Viszonylag stabil maradékok

Ásványositás

NH4

Asszimiláció Ammonifikáció

R-NH2

Biomassza

NH4,

aminosav,

aminocukor

Nukleofil adició

Kondenzáció

polimerizáció

Hidroxi fenolok Kinoidális gyökök

nLignin

tannin

polifenol

nitrogénzár

Demetilezés dekarboxilezés, béta oxidáció autooxidáció

MIKROORGANIZMUSOK

JELENTŐSÉGE, SZEREPE

Page 7

Mik

roo

rga

niz

mu

sok

Organizmusok, melyek nem jutottak el a

szövetes differenciálódásig, és életciklusuk

jelentős részében szabad szemmel nem

láthatók.

Név megadása: nemzetség és faj

•Vírusok

•Baktériumok

•Gombák

•Protiszták

•Növényi egysejtűek

•Állati egysejtűek (protozoonok)

Page 8

Pro

ka

rió

taés

eu

ka

rió

tasz

erv

ezet

http://biologia.laguia2000.com/citologia/part

es-de-la-celula-procariota

http://cassany.cat/ESO/celula/eucariota.jpg

Page 9

MIKROORGANIZMUSOK SZEREPE, JELENTŐSÉGE

Biogeokémiai ciklusok

Lebontó folyamatok

A levegő nitrogénjének hasznosítása

Együttélés magasabb rendű élőlényekkel

Tudatos gyakorlati felhasználás

Modell- és tesztorganizmusok

Page 10

MIKROORGANIZMUSOK KÖRNYEZETÜNKBEN

Mikroorganizmusok szélsőséges környezetben

http://www.microbiologytext.com/5th_ed/book/displayarticle/aid/646

Page 11

A KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA ALAPJAI

Martinus BEIJERINCK (1851-1931)

Mikróbák növényekben és talajban

Elektív (dúsító) táptalaj

N2-fixáló baktériumok

Sergei WINOGRADSKY (1856-1953)

Talajbaktériumok

N és S körforgásában mikróbák szerepe!

Autrotrófia, kemolitotrófia

http://www.microbiologytext.com/index.php?module=book&func=displayarti

cle&art_id=32

Page 12

A KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA

• A mikroorganizmusok szerepe a földi ökológiai rendszerekben, különös

tekintettel a biogeokémiai ciklusokban és a táplálék-láncokban

A biomérnök ill. az ökomérnök célja, hogy a mikroorganizmusokat és

végtelen genetikai és biokémiai potenciáljukat a

• fenntartható fejlődés,

• a megújuló források hasznosítása,

• a hulladékkezelés és hasznosítás,

• a földi ökoszisztéma védelme és

• elsősorban az ökoszisztémát globálisan veszélyeztető vegyi

szennyezőanyagok kockázatának csökkentése szolgálatába állítsa.

Page 13

KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA

Mikroorganizmusok környezetben

Mikrobiológiai folyamatok

Mikrobiológiai folyamatok hasznosítása

BIOTECHNOLÓGIA

Page 14

BIOTECHNOLÓGIA

Mikroorganizmusok, állati és növényi sejtek/ szövetek vagy ezek

részeinek (pl. enzimek) felhasználása

Page 15

BIOTECHNOLÓGIA

Felhasználási cél: humán- vagy állategészségügyi, mezőgazdasági, vagy

ipari

Kezdet: sumérok sörfőzése?

Iparág kezdete: a rekombináns DNS technika megjelenésétől (1970-es

évek végétől)

– 1983: humán inzulint rekombináns DNS technikával,

baktériumok felhasználásával előállító

Genentech megalakulása

Page 16

A TALAJ

Talajtan

1873-1939: Sigmond Elek (talajkémia)

Talajképződés

Földtani tényezők (aktív: kiemelkedések, süllyedések, talajvíz-

viszonyok, felszíni vizek; passzív: kőzet fizikai és kémiai tul.)

Éghajlati tényezők: T, csapadék, párolgás, szélviszonyok

Domborzati tényezők: tengerszint, lejtők

Biológiai tényezők: mikroorganizmus, növény

A talajok kora: abszolút és relatív kor

Emberi tevékenység

Page 17

A TALAJ KOMPLEX RENDSZERE

A talaj komplex élő, dinamikus rendszer. A szennyezett talaj még az ép talajnál is

összetettebb, ahol a talaj háromfázisú szervetlen-szerves kolloid mátrixával nemcsak a

fajok százait és egyedek milliárdjait magában foglaló talajmikroflóra, de a

komponensek akár százait is tartalmazó szennyezőanyag is kölcsönhatásba lép.

blogs.oregonstate.edu

Page 18

TALAJFUNKCIÓKFöldi elemkörforgalom

Biomassza termelés: a bioszféra primer tápanyagforrása

Ökológiai élettér

Megújítható természeti erőforrás

Raktározóképesség (hő, víz, növényi tápanyagok…)

Génrezervoár (a biodiverzitás nélkülözhetetlen eleme)

Pufferkapacitás

Szűrés

Detoxikálás…

www.fao.org

Page 19

TALAJ

Hazánk legjelentősebb természeti erőforrása

A mezőgazdaság legfontosabb termelőeszköze, értéke

A nemzeti vagyon 20 %-a

Talajromlás

– Talajdegradáció

– Talajszennyezés

Az emberek számára jelentős ökológiai talajfunkciók károsodhatnak.

Talajvédelem

www.nature.com

Page 20

Talajvédelem

Nemzetközi, globális szintű és hazai kezdeményezések: Európa Tanács 1990-ben ökológiai és humán tevékenységgel összefüggő talajfunkciókat határozott meg.

Amman határozat kimondja, hogy a talajok ökológiai funkcióit csak hatékony jogi hátérrel lehet biztosítani.

Montevideo Program III. (UNEP, 2001) hatékony jogi eszközöket javasol.

EU: a talajvédelemhez indirekt módon kapcsolódó jogszabályok, például a Környezeti hatásvizsgálat (85/337/EEC, 2003/35/EEC), de egységes talajvédelmi témájú EU joganyag nincs, kidolgozása folyamatban van.

Mo: egyelőre nincs átfogó talajvédelmi jogszabály. A környezet védelmének általános szabályairól szóló 1995. évi LIII. Törvény kitér a termőföld, a talaj védelmére.

Talajvédelmi Információs és Monitoring rendszer (TIM): talajtani információbázis

Országos Talajvédelmi Stratégia - jogszabály-rendszer, melynek célkitűzései közé tartozik a talajban lévő és a talajba bekerült anyagok biogeokémiai ciklusának szabályozása, a talaj és a felszín alatti vízkészletek minőségének megóvása...

Page 21

SZERVES SZENNYEZŐANYAGOK SORSA A TALAJBAN

• Formáik: gáz- vagy gőzforma, vízben oldott vagy emulgeált és

szilárd

• Perzisztencia

• Beépülés biomassza

• Beépülés táphumusz

• Beépülés szerkezeti humusz

• Fosszilizáció

• Természetes koncentrációcsökkenés

• Kometabolizáció

• Biodegradáció, mineralizáció

Növekedési szubsztrátCH4

CH4

CH3OH

Köztes metabolizmus

szaporodás

NADH

NAD+

O2

H2OMetán-

monooxigenáz

C C

Cl

Cl H

Cl

O

C

H

Cl

C

Cl

Cl

TCE

TCE epoxid

formiát, CO,diklóracetát,glioxilát

Növekedési szubsztrátCH4

CH4

CH3OH

Köztes metabolizmus

szaporodás

NADH

NAD+

O2

H2OMetán-

monooxigenáz

C C

Cl

Cl H

Cl

O

C

H

Cl

C

Cl

Cl

TCE

TCE epoxid

formiát, CO,diklóracetát,glioxilát

Page 22

Szerves (szennyező)anyag bekerül a környezeti

elembe

Mikróbaszám növekedés

Bontóképes fajok szelekciója Fajeloszlás megváltozása

Felfokozott mutációs szelekciós és DNS rekombinációs folyamatok

BIODEGRADÁCIÓ –SZENNYEZETT TERÜLETEKEN

Page 23

Szénhidrogénbontó mikroorganizmusok

Baktériumok: Pseudomonas, Arthrobacter, Acinetobacter,

Bacillus, Nocardia, Flavobacterium, Alcaligenes; olajbontó

gombák az Aspergillus, Mucor és Rhisopus…

Szénhidrogén-degradációt katalizáló enzimet kódoló katabol

plazmidok

www.grainews.ca

Page 24

BIOREMEDIÁCIÓ

BIODEGRADÁCIÓ

Szerves szennyezőanyagok

Biológiai kioldás Biológiai stabilizáció

Mikroorganizmusok, növények, állatok

Page 25

A környezetirányítás eszköztára

KÖRNYEZETPOLITIKAGAZDASÁG POLITIKA

KOCKÁZATMENDZSMENTJOG MONITORING

KOCKÁZAT FELMÉRÉSEKOCKÁZAT CSÖKKENTÉSE

1. VESZÉLY AZONOSÍTÁSA

2. KOCKÁZAT FELMÉRÉSE

Általános / helyspecifikus

Kvalitatív/ kvantitatív

Ökológiai / humán egészségi

1. MEGELŐZÉS

2 . KORLÁTOZÁSOK

3. REMEDIÁCIÓ, TALAJJAVÍTÁS

Fizikai-kémiai technológiák

Biotechnológiák, bioremediáció

Ökológiai technológiák

Page 26

OKKP / NKP 1. Környezetvédelmi programok (Superfund (https://www.epa.gov/superfund ), Altlasten)

A Nemzeti Környezetvédelmi Program része: összefogja a környezeti kármentesítéssel kapcsolatos feladatokat.

– Mit örököltünk?

– Mit lehet tenni?

– Ki fizessen?

– Mikor tiszta a tiszta?

Célok, feladatok:

- A környezetet veszélyeztető szennyezőforrások, tartós környezetkárosodások

teljes körű országos számbavétele,

- A felszín alatti vizek, földtani közeg károsodásának megismerése,

- kockázatának felmérése,

- a veszélyeztetett területeken a szennyezettség kockázatának csökkentése…

Page 27

A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek –hagyományos osztályozás

Rendezett biztonságos lerakás (Containment)

– Szennyezett talajtérfogat „kapszulálása”

– Környezettől való elszigetelés

– Kockázatcsökkkentés nem végleges

Page 28

A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek –hagyományos osztályozás

Ex situ/off site

– Kezelés a talaj (talajfázisok) eredeti helyéről való eltávolítás után

– Kiszívott talajgáz v. pára kezelése is

– Gyakran csak a szilárd fázisra vonatkoztatják

Page 29

A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek –hagyományos osztályozás

Ex situ/on site

– Kezelés a talaj (talajfázisok) eredeti helyéről való eltávolítás után a helyszínen

– Technológiai szempontból kevés a különbség az ex situ -hoz képest

– Megkülönböztetés: a kapcsolódó műveletek, időtartam

Page 30

A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek –hagyományos osztályozás

In situ

– Kezelendő talajfázisokat nem távolítjuk el (vagy egyiket sem, vagy csak a szilárdat nem)

– „Kvázi reaktor”

– Nyitott reaktor: faltalan, de nem végtelen

– További megkülönböztetés: a rendszer zavartalansága

Page 31

A talajremediálási módszerek csoportosítási szempontjai

In situ, ex situ - off sie és on site sok a félreértés, újra kell értelmezni

Funkcionális csoportosítás szükséges

Osztályozás a szennyezőanyag tulajdonságai és a szennyezett közeg, ill. fázis szerint

Page 32

A szennyezőanyag által meghatározott szempontok és technológiaosztályozás

A szennyezőanyag fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságai

(illékony-e, vízoldható-e vagy azzá tehető, szorbeálódó,

biodegradálható, biológiai úton immobilizálható-e…)

egykomponensű vagy többkomponensű

talajfázisok közötti megoszlás (becsülhető)

Page 33

Szennyező-anyag

kémiai

tulajdonsága Talaj szilárd fázisa Talajvíz Talajlevegő

Illékony

Biodegradáción alapuló

Talajgőz kiszívása és felszíni

kezelése

Termikus deszorpció

Biodegradáción alapuló

remediáció

Sztrippelés

Biodegradáción alapuló

remediáció

Talajgáz kiszívása és

felszíni kezelése

Vízoldható

Biodegradáción alapuló

remediáció

Fitoremediáció

Talajmosás

Elektrokinetikai eljárások

Biodegradáción alapuló

remediáció

Fitoremediáció

Talajvíz kiszívás &

felszíni kezelés

Aktív résfalak

Biodegradáción alapuló

remediáció

Talajgőz kiszívása és

felszíni kezelése

Szorbeálódó

Biodegradáción alapuló remediáció

Biológiai kioldás

Fitoremediáció

Extrakció

Szemcseméret szerinti frakcionálás

Termikus deszorpció

Talajégetés/Pirolízis

Biodegradáción alapuló

remediáció

Talajvíz kiszívás és

felszíni kezelés

Biodegradáción alapuló

remediáció

Talajgáz kiszívása és

felszíni kezelése

Page 34

A természetes folyamatok mérnöki alkalmazásának fokozatai szennyezett talaj remediálásában

NA MNA ENA In situ Ex situ

bioremediáció bioremediáció

NA: Natural Attenuation – természetes szennyezőanyag-csökkenés

MNA: Monitored Natural Attenuation – monitorozott természetes szennyezőanyag-csökkenés

ENA: Enhanced Natural Attenuation – gyorsított természetes szennyezőanyag-csökkenés

A szennyezett talajok kezelésére alkalmazott módszerek –

osztályozás biológiai technológiák esetében

Page 35

„NATURAL ATTENUATION”

Page 36

Bioremediáció

•Biodegradáció

•A baktériumok végtelen genetikai és biokémiai potenciálja

•A holt szerves anyagok lebomlásához hasonló útvonal –

szennyezőanyagok bekerülnek az elemek körforgalmába.

•Biodegradáció fajtái: Energiatermeléssel összekötve

Kometabolizmussal (energia nem termelődik)

•Redoxpotenciáltól függően: aerob / fakultatív anaerob / anaerob

•Teljes mineralizáció vagy részleges bontást követő átalakulás, pl.

humuszképződésben való részvétel. Ez már átvezet a mikrobiológiai

stabilizációs módszerekhez.

•…

Page 37

„Landfarming”

http://www.ftbraggmillsite.com/fortbraggmillsite/images/land_farm_2_lg.jpg

http://www.desleronline.com/html/english/hazardous_waste/landfarming.html

http://www.ftbraggmillsite.com/fortbraggmillsite/images/land_farm_1_lg.jpg

Page 38

Háromfázisú talaj prizmás kezelése

http://www.layfieldenvironmental.com/Content_Files/Images/

Application/remediation.jpg

http://www.remediationstrategies.com/services/remediation-contracting/soil-remediation/

Page 39

In situ bioventillációs talajtisztítási technológia vázlata

C1C2C3

B1B2B3

C4C5C60

1

2

4

5

3

Talajlevegő

Áramlási iránya

Levegő bevezető

csövek ( C)

szívócsövek (B)

levegő

ventillátor

Talajgáz tisztító berendezés

Page 40

A CIKLODEXTRIN HATÁSMECHANIZMUSAA BIOLÓGIAI TALAJTISZTÍTÁSBAN

A szennyezőanyag a talajszemcséken adszorbeálódott

A mikroorganizmusok a talaj vizes fázisában élnek

Oldékonyság és biológiai hozzáférhetőség javítása ciklodextrinekkel

Page 41

Tápanyagok

és RAMEB

Kezelt víz

Passzív kutak Aktív kutak

Szivattyú

Víz

Levegő

Fázis

szétvá-lasztás

Homok

szűrőAktív

szénLevegő

bevezetés

CDT- komplex bioremediáció ciklodextrin alkalmazásával

Kombinált kút

Levegőelszívó

kút

Levegő- és

vízbevezető kút

Transzformátor

Rendszerellenőrző

állomás

Page 42

Épített láp, épített mocsár

Az épített láp és épített mocsár (constructed wetland) a lápra, ill. a mocsárra

jellemző sekélyvízi ökoszisztéma tagjait tartalmazza, beleértve a detrituszt, a

növényeket és az állatokat.

Forrás: http://adtechenviro.files.wordpress.com/2010/08/constructed-wetlands-21.jpg

Page 43

Fitoremediáció

Fitostabilizáció

Fitoextrakció…

Page 44

INNOVATÍV BIOTECHNOLÓGIÁK - BIOSZÉN

Talajvédelem, talajfunkciók fenntartása,

talajminőség javítása

Hulladékok hasznosítása

CO2 csökkentés

Bioszén (biochar) hulladékból

Amazonasi indiánok gyakorlatából – „Terra preta”

Biomassza oxigénmentes, magas hőmérsékleten történő

elégetése során visszamaradt stabil anyag…

http://www.energiacentrum.com/biomassza/a-

bioszen-kedvezo-hatasai/

http://www.biochar.org/joomla/index.php?option=com_content&task=blogcategory

Page 45

FELADATOK, KÖVETELMÉNYEK

ZH : 55%

– Nagy-ZH – előadásanyag (10.31)

Egyéni feladat – esettanulmány kidolgozása

(45%) (hi.: 11.07)

Irodalom - adatbázisok

www.mokkka.hu, www.körinfo.hu

Page 46

MOKKA és KÖRINFO ADATBÁZISOK

www.mokkka.hu

www.körinfo.hu

Lexikon: a szakkifejezések értelmezéséhez, a környezetvédelem jogi, tudományos és technikai hátteréhez.

Adatbázis: hagyományos és innovatív módszerek, melyek segítségével mérhető a környezet állapota, károsodása vagy olyan technológiákkal, melyek segítenek a környezetet egészséges állapotban tartani vagy ha szükséges "meggyógyítani".

Térképek és a képtárak gyors és szemléletes információ a KÖRINFO területeiről.

Döntéstámogatás (DST) egy problémakör jogi hátterének vagy tudományos alapjainak megismeréséhez szükséges útvonal.

E-tanfolyam: résztvevők megismerhetik a modern környezetmérnöki munka tudományos és gyakorlati alapjait.

Regisztráció

Page 47

EGYÉNI FELADAT

Remediációs technológia kidolgozása

– Irodalomból→ megvalósult biotechnológia (innovatív

biotechnológia) bemutatása

– Részletes bemutatás és értékelés

– A választott biotechnológiáról prezentáció készítése és

bemutatása

Page 48

IRODALOM

KÖRINFO honlap: www.enfo.hu, www.körinfo.hu

MOKKA honlap: www.mokkka.hu

Gruiz, K., Horváth, B. és Molnár M. (2001) Környezettoxikológia,

Vegyi anyagok hatása az ökoszisztémára, Műegyetemi Kiadó, Budapest

Előadásanyagok

Hallgatói információk, előadás anyagok:

http://biotox.hu/hu/oktatasi-anyagok-hallgatoknak/

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!